ANSYS傳感器設(shè)計中的應(yīng)用

2013-06-20 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者: 何學(xué)科來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 鋼軌傳感器應(yīng)變有限元 ANSYS

把有限元分析軟件ANSYS引入鋼軌傳感器的設(shè)計應(yīng)用之中,在力學(xué)分析的基礎(chǔ)上,建立有限元分析模型以及邊界約束條件模型,得到彈性體—鋼軌的強度極限和應(yīng)力、應(yīng)變變化形態(tài)等信息,為設(shè)計和制造高精度的鋼軌傳感器提供可靠的理論依據(jù)。

鋼軌傳感器是近年來發(fā)展起來的一種電容式傳感器,可以用在軌道衡上進(jìn)行稱重,稱為稱重傳感器,也可用來測量鋼軌的溫度應(yīng)力,它因有精度高、結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護(hù)方便的優(yōu)點,迅速得到了應(yīng)用.在進(jìn)行傳感器的設(shè)計時,多數(shù)仍是利用簡化的材料力學(xué)公式進(jìn)行粗略的計算,然后通過試驗修正參數(shù),即產(chǎn)品的最終定型以試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)。采用這種設(shè)計方法時,產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)的周期較長,產(chǎn)品的質(zhì)量也難以提高。而利用有限元分析技術(shù);,則可以對傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行確的計算,對應(yīng)力場以及應(yīng)變的分布狀況和具體數(shù)值、貼片位置的合理性等情況作較全面的了解和預(yù)測,從而可以為設(shè)計提供可靠、有效的技術(shù)支持。

    有限元分析在鋼軌傳感器中的主要應(yīng)用在以下幾個方面:

    1)設(shè)計變截面的鋼軌中,可以用來計算校核鋼軌的強度和剛度,保證運營安全;

    2)可以計算出鋼軌腹板上應(yīng)變變化最大的區(qū)域,在這個區(qū)域粘貼應(yīng)變片,提高傳感器的反應(yīng)靈敏度;

    3)可以計算出在粘貼應(yīng)變片的方向,應(yīng)變的變化趨勢和具體數(shù)據(jù),可以為傳感器設(shè)計做有益的參考.

本文把有限元分析軟件ANSYS引人鋼軌傳感器的設(shè)計應(yīng)用之中,在力學(xué)分析的基礎(chǔ)上,建立有限元分析模型以及邊界約束條件模型,計算出鋼軌的強度極限及確定應(yīng)力、應(yīng)變變化的范圍,為設(shè)計和制造高精度的鋼軌傳感器提供可靠的理論依據(jù)。

1 鋼軌傳感器剛度和強度計算

選用60 kg/m的標(biāo)準(zhǔn)鋼軌來做傳感器的載體,材料為普通鋼軌鋼,材料主要參數(shù)如表1。鋼軌在受到車輪壓力后,由于兩端被枕木支撐,鋼軌相當(dāng)于簡支梁。在鋼軌的下方產(chǎn)生拉應(yīng)力,在上方產(chǎn)生壓應(yīng)力,在截面上產(chǎn)生剪應(yīng)力。在不考慮扭轉(zhuǎn)時,軸向應(yīng)力。與應(yīng)變二的關(guān)系為

σ=Eε(1)

式中:σ為應(yīng)力,Pa;ε為應(yīng)變,μm; E為鋼軌彈性模量,GPa.

ANSYS傳感器設(shè)計中的應(yīng)用ansys圖片圖片1

表1 60Kg/m鋼軌材料主要參數(shù)

本文采用參數(shù)化建模型的方法,鋼軌截面模型比較復(fù)雜,使用AUTOCAD軟件繪制后,導(dǎo)出類型為*. sat文件,然后按照操作:file/import/satfile從AUTOCAD中導(dǎo)人截面圖形,再對其進(jìn)行合理的規(guī)劃后分成網(wǎng)格,如圖1所示.對截面做拉伸操作后就可以得到三維的網(wǎng)格圖形.鋼軌路基為整體式結(jié)構(gòu),為了簡化計算,假設(shè)鐵路基礎(chǔ)、扣件和墊層為剛性體,對鋼軌施加約束條件.輪重壓力加載位置在跨度的中點,載荷均勻加載在軌頭中線節(jié)點上.結(jié)果如圖2.

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    然后進(jìn)行靜態(tài)的求解運算,只考察垂直方向的受力,不考察鋼軌的扭轉(zhuǎn)和橫向力,計算結(jié)果如下:

    最大撓度L =0.098 mm;

    最大應(yīng)力σmax=230. 7 MPa

根據(jù)材料力學(xué)的強度校核理論,由計算結(jié)果可以看出,σmax<[σ],所以鋼軌是安全的.為了增大檢測段的長度而拉大跨度或者改變鋼軌界面形狀時,也可以用這種方法方便快捷地來校核鋼軌的強度.

2 預(yù)測應(yīng)變最大區(qū)域和應(yīng)變變化趨勢

采用上面所用的鋼軌類型不變,為了更詳細(xì)的觀察鋼軌腹板上的應(yīng)變變化趨勢,取幾個不同的載荷工況來做計算分析,載荷加在鋼軌的中間一個跨度上,載荷位置按車輪中心與所取鋼軌中跨段端面的距離z的變化從左至右來計,分成如表2的5種不同的工況.

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表2不同工況與載荷位置關(guān)系

取中跨段腹板中性線上下兩側(cè)距離中性線為5mm位置處直線上的節(jié)點來考察等效應(yīng)變值的變化趨勢,并依此為進(jìn)一步分析的依據(jù).在彈性體上、下兩個位置的應(yīng)變絕對值曲線分別圖3和圖4,通過曲線可以看出該傳感器貼片區(qū)的適當(dāng)位置和變化數(shù)值范圍.

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圖3上貼片位置沿線的應(yīng)變變化

由圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn),在距離兩端各約為120 mm的位置處,應(yīng)變變化的范圍最大.如果在此處粘貼應(yīng)變片,可以得到最大的輸出信號.進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),上下應(yīng)變片的應(yīng)變變化值(只要按照對稱的位置來粘貼)基本相等,并且在載荷位置發(fā)生變化的時候,應(yīng)變片的變化量也是基本相等的.可以把對稱位置的應(yīng)變值取出如表3.

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表3選定位置處的節(jié)點應(yīng)變值

    根據(jù)全橋電路的工作原理,電橋電路的輸出公式為:

    uo=uixkx(ε1-ε2-ε3+ε4)/4

    式中:ε1,ε2,ε3,ε4為貼片處個應(yīng)變測得的應(yīng)變值;

    k—應(yīng)變片的靈敏系數(shù);

    ui—電橋的輸入電壓;

    uo—電橋的輸出電壓.

根據(jù)上面的公式和計算數(shù)據(jù),假設(shè)激勵電壓15V,應(yīng)變片靈敏系數(shù)為2.2,對應(yīng)變信號做1000倍的放大后,計算出輸出電壓值,然后對結(jié)果進(jìn)行線性擬合,得出下面的擬合曲線如圖5.

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圖4下貼片位置沿線的應(yīng)變變化

圖5是隨機采集的5個單點的樣本擬合曲線,從這些試驗數(shù)據(jù)來看,采用這樣的方法來設(shè)計傳感器,可以得到基本上準(zhǔn)確的輸出信號,而且只要采集的樣本量達(dá)到一定的要求,采用合理的處理技術(shù),完全可以預(yù)測出應(yīng)變變化的情況和電壓輸出信號的線性程度.這個圖像基本顯示了傳感器電壓變化的趨勢,即由小變大,接近維持不變一段時間(距離),然后漸漸減小的過程.

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3 結(jié)論

本文采用有限元分析軟件ANSYS對鋼軌傳感器的受力變形和指定位置處的應(yīng)變變形分析計算可知:

    1)可以很方便快捷的校核鋼軌的強度.

    2)在粘貼應(yīng)變片的時候,應(yīng)選定應(yīng)變變化最大的位置(距離兩端各約120 mm處)來做粘貼應(yīng)變片的中心位置.

    3)可以確定出最大應(yīng)變值和最小應(yīng)變值之間的變化范圍,據(jù)此可以在選擇應(yīng)變片型號的時候做參考.

    4)在設(shè)計惠斯頓橋電路物時候,只要事先知道電阻變化的范圍和極值,就可以通過樣本擬合曲線知道電壓或者電流信號的變化范圍和極值.

本文主要的意義在于可以為傳感器的設(shè)計提供有益的參考,突破了傳統(tǒng)的設(shè)計一制造一試驗的研究框架,從而提高了設(shè)計質(zhì)量,縮短了設(shè)計時間.總之,把有限元分析軟件ANSYS引進(jìn)傳感器設(shè)計應(yīng)用中,是使傳感器設(shè)計走向高效、智能化的有效途經(jīng).

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